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Terceira detecção de ondas gravitacionais confirma nova população de buracos negros

São José dos Campos-SP, 01 de junho de 2017

O Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais LIGO (do inglês Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) fez uma terceira detecção de ondas gravitacionais, ondulações no espaço e no tempo, demonstrando que uma nova janela na astronomia foi firmemente aberta. Cientistas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) contribuíram na descoberta, anunciada nesta quinta-feira (1°/6).

Como nas primeiras detecções, as ondas gravitacionais foram geradas quando dois buracos negros colidiram para formar um maior. O novo buraco negro, resultado da fusão, tem uma massa cerca de 49 vezes maior a do nosso Sol.

“Isso preenche uma lacuna entre as massas dos dois buracos negros formados previamente detectados pelo LIGO, com massas solares de 62 (primeira detecção) e 21 (segunda detecção)”, explica o pesquisador Odylio Aguiar, que coordena os estudos no INPE sobre ondas gravitacionais.

Trata-se de mais uma confirmação da existência de buracos negros maiores do que 20 massas solares, objetos que os cientistas não sabiam existir antes que o LIGO os detectasse.

A nova detecção ocorreu durante a atual corrida observacional do LIGO, que começou em 30 de novembro de 2016 e que continuará durante a estação de verão nos Estados Unidos. As observações do LIGO são realizadas por detectores gêmeos - um em Hanford, no estado de Washington, e o outro em Livingston, no estado da Louisiana - operados pelos institutos de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e de Massachusetts (MIT) com financiamento da Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos (NSF).

A pioneira observação direta de ondas gravitacionais aconteceu em setembro de 2015, durante a primeira corrida observacional no âmbito do programa chamado LIGO Avançado (aLIGO). A segunda detecção foi feita em dezembro de 2015. A terceira detecção, chamada GW170104 e realizada em 4 de janeiro de 2017, está descrita em um novo artigo científico aceito para publicação na revista Physical Review Letters. Em todos os três casos, cada um dos detectores gêmeos aLIGO detectou ondas gravitacionais das fusões tremendamente energéticas de pares de buracos negros.

“São colisões que produzem mais potência do que é irradiado como luz por todas as estrelas e galáxias no universo em qualquer instante dado. A detecção recente parece ser a mais distante da Terra, com os buracos negros localizados a cerca de 3 bilhões de anos-luz de distância. (Os buracos negros na primeira e segunda detecção estavam localizados a 1,3 e 1,4 bilhões de anos-luz de distância, respectivamente). A observação mais recente também forneceu pistas sobre as direções e os sentidos em que os buracos negros estavam girando. À medida que os pares de buracos negros executam movimento em espiral, um em torno do outro, eles também giram em seus próprios eixos – como um par de patinadores de gelo girando individualmente enquanto também circulam um em torno do outro. Às vezes, os buracos negros giram no mesmo sentido da órbita que o par está se movendo – o que os astrônomos chamam de rotações alinhadas – e às vezes giram no sentido oposto ao movimento orbital. Essencialmente, os buracos negros podem girar em qualquer sentido”, informa o pesquisador do INPE.

Não se pode determinar com os novos dados do LIGO se os buracos negros recentemente observados têm seus eixos de rotação inclinados, mas pelo menos um dos buracos negros pode não estar alinhado em comparação com o movimento orbital. Mais observações com LIGO são necessárias. "Esta é a primeira vez que temos provas de que os buracos negros podem não estar alinhados, dando-nos apenas uma minúscula dica de que os buracos negros binários podem se formar em densos conjuntos estelares", afirma Bangalore Sathyaprakash, da Penn State e da Cardif University, um dos editores do novo artigo científico, que tem como autores os membros das colaborações científicas LIGO e Virgo.

Existem dois modelos primários para explicar como pares binários de buracos negros podem ser formados. O primeiro modelo propõe que os buracos negros nascem juntos: eles se formam quando cada estrela em um par de estrelas explode, e então, como as estrelas originais estavam girando em alinhamento, os buracos negros permanecem alinhados. No outro modelo, os buracos negros se reúnem tardiamente dentro de aglomerados estelares cheios. Neste cenário, os buracos negros podem girar em qualquer sentido em relação ao seu movimento orbital. Este é o caso provável que a detecção do evento GW170104 aponta para a formação do sistema binário.

O estudo desta detecção também testa as teorias de Albert Einstein mais uma vez. Por exemplo, os pesquisadores procuraram um efeito chamado dispersão, que ocorre quando as ondas de luz em um meio físico como o vidro viajam em velocidades diferentes, dependendo do seu comprimento de onda; é assim que um prisma cria um arco-íris. A teoria geral da relatividade de Einstein proíbe a dispersão de acontecer em ondas gravitacionais à medida que se propagam de sua fonte para a Terra. O LIGO não encontrou evidências para esse efeito.

A equipe LIGO-Virgo continua pesquisando os dados mais recentes do LIGO para detectar sinais de ondulações no espaço-tempo vindas dos confins do cosmos. Eles também estão trabalhando em atualizações técnicas para a próxima corrida do LIGO, programada para começar no final de 2018, durante a qual a sensibilidade dos detectores será melhorada. A expectativa é que o Virgo, o interferômetro europeu, amplie a rede de detectores e ajude a localizar melhor os sinais.

Com a terceira detecção confirmada de ondas gravitacionais da colisão de dois buracos negros, o LIGO está se estabelecendo como um poderoso observatório para revelar o lado negro do universo. Os cientistas esperam ver outros tipos de eventos astrofísicos em breve, como a colisão violenta de duas estrelas de nêutrons.

Mais de mil pesquisadores de todo o mundo participam do esforço através da Colaboração Científica LIGO, que inclui a Colaboração GEO. A parceria LIGO com a Colaboração Virgo, um consórcio que inclui 280 cientistas adicionais em toda a Europa, apoiado pelo Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS, em francês), pelo Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN, em italiano) e Nikhef, bem como pela instituição anfitriã do Virgo, o Observatório Gravitacional Europeu. Todos os parceiros estão relacionados em: http://ligo.org/partners.php.

Participação brasileira

Existem dois grupos no Brasil que participam oficialmente da Colaboração Científica LIGO. O primeiro deles está na Divisão de Astrofísica do INPE, em São José dos Campos (SP), e conta com seis membros: Odylio Denys Aguiar, César Augusto Costa, Márcio Constâncio Jr, Elvis Camilo Ferreira, Allan Douglas dos Santos Silva e Marcos André Okada.

O grupo do INPE, dirigido por Odylio Aguiar e César Costa, trabalha no aperfeiçoamento da instrumentação de isolamento vibracional e térmica do LIGO, na sua futura operação com espelhos resfriados. O principal objetivo é aumentar a sensibilidade dos detectores para observar mais fontes de ondas gravitacionais.

Além disso, o grupo trabalha na caracterização dos detectores, buscando determinar as suas fontes de ruído e a minimização dos seus efeitos nos dados coletados, permitindo que sinais de ondas gravitacionais fortes sejam mais facilmente localizados.

O outro grupo está localizado no Instituto Internacional de Física, na Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), em Natal (RN). Dirigido pelo pesquisador Riccardo Sturani, trabalha na modelagem e análise dos dados na busca de sinais emitidos por sistemas de dois objetos astrofísicos em coalescência, dos tipos dos três detectados pelo LIGO. A modelagem é particularmente importante porque as ondas gravitacionais têm interação muito fraca com toda a matéria, tornando necessárias, além de detectores de alto desempenho, técnicas de análises eficazes e uma modelagem teórica dos sinais o mais precisa possível.

Mais informações: www.ligo.org.

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